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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 품질이 우수한 생분해성 물질인 PLA(poly lactic acid)를 이용한 생분해성 식생매트를 토양에서 생분해하여 식생매트에 대한 두께, 인장강도 및 분자량 등의 공학적 특성을 분석 후 관련 분야의 기초자료로서 활용 하고자 한다.
- 본 연구는 품질이 우수한 생분해성 물질인 PLA(poly lactic acid)를 이용한 생분해성 식생매트의 생분해 성능을 평가하는 것으로 Table 2와 같이 실험계획을 수립하였다. 실험인자로는 Mat type, Sample shape, 생분해 장소, 토양 종류 및 생분해 기간으로 설정하였으며 각 인자별 수준수는 생분해 기간 5수준을 제외하고 나머지 인자는 2수준으로 고정하였다.
- 또한 항온항습기 및 생분해장의 실험결과 차이 발생여부를 확인하기 위해 실내 항온항습기의 온도 26℃, 상대습도 95%를 유지하도록 생분해 조건을 조성하였다. 햇볕을 받은 생분해장과 시험결과를 비교하여 시험결과의 유사성을 확인하고자 하였다.
제안 방법
- 건설자재 중 PLA 소재의 개발된 매쉬형 식생매트를 사용하여 생분해 기간에 따른 두께, 인장강도 및 분자량의 특성에 대한 측정결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 벽은 채광이 좋은 유리벽으로 하고 온도는 냉온풍기로 10℃~30℃를 유지하고 주 3회 토양 표면이 젖을 정도의 물을 주어 토양의 습도를 유지하였다. 또한 항온항습기 및 생분해장의 실험결과 차이 발생여부를 확인하기 위해 실내 항온항습기의 온도 26℃, 상대습도 95%를 유지하도록 생분해 조건을 조성하였다. 햇볕을 받은 생분해장과 시험결과를 비교하여 시험결과의 유사성을 확인하고자 하였다.
- 본 연구에서 항온항습기에서 생분해를 실시한 PLA 소재의 매 쉬의 두께 변화를 측정하였다. 생분해 시작 이후 Fig.
- 2와 같이 생분해성 식생매트가 식생의 활착, 경사지반 보호 등을 수행하기 위하여 시공 후 식생매트가 생분해되더라도 일정기간까지는 식생매트의 기본적인 물성값을 유지하기 위해 생분해성 물질인 PLA(poly lactic acid)로 제조한 매쉬, 부직포 및 황마네트가 결합한 형태로 제조하였다. 사용할 생분해성 식생매트를 제조 후 Fig. 3과 같이 토양과 생분해 조건별로 식생매트가 토양에 묻혀서 식생매트와 토양이 충분해 접할 수 있도록 한 후 기간별 생분해 후 그 특성을 측정하였다.
- 생분해 성능을 확인하기 위하여 햇볕을 충분히 받으며 미생물 활동을 촉진할 수 있는 온‧습도를 유지할 수 있도록 생분해장을 조성하였다. 벽은 채광이 좋은 유리벽으로 하고 온도는 냉온풍기로 10℃~30℃를 유지하고 주 3회 토양 표면이 젖을 정도의 물을 주어 토양의 습도를 유지하였다.
- 생분해성 식생매트의 생분해 성능을 검토하기 위하여 식생매트 제작은 Fig. 2와 같이 생분해성 식생매트가 식생의 활착, 경사지반 보호 등을 수행하기 위하여 시공 후 식생매트가 생분해되더라도 일정기간까지는 식생매트의 기본적인 물성값을 유지하기 위해 생분해성 물질인 PLA(poly lactic acid)로 제조한 매쉬, 부직포 및 황마네트가 결합한 형태로 제조하였다. 사용할 생분해성 식생매트를 제조 후 Fig.
- 시험체 생분해를 위한 시료는 아령형태로 가공하여 실내에서 인공토에 묻어 21℃~23℃의 조건을 유지하고 생분해 1개월마다 인장실험을 실시하였다.
- 시험편은 톱니모양의 쐐기형 조에 시험편을 물린 후 분당 (20±5)%의 변형 속도를 유지하여 인장하중을 가하였다.
- 식생매트의 두께 측정방법은 KS K ISO 9863-1(지오신세틱스－규정 압력에서의 두께 측정)에 따라 실시하였다. 시험편이 놓여 있는 기준판과 한정된 크기의 시험편 면적에 규정된 압력을 가하는 평행한 원형 프레서 푸트 접촉면 사이의 거리를 측정하였다.
- 본 연구는 품질이 우수한 생분해성 물질인 PLA(poly lactic acid)를 이용한 생분해성 식생매트의 생분해 성능을 평가하는 것으로 Table 2와 같이 실험계획을 수립하였다. 실험인자로는 Mat type, Sample shape, 생분해 장소, 토양 종류 및 생분해 기간으로 설정하였으며 각 인자별 수준수는 생분해 기간 5수준을 제외하고 나머지 인자는 2수준으로 고정하였다.
- 연신율은 인장강도 시험결과를 바탕으로 하여 시험하는 동안 시험편의 실제 게이지 길이가 증가한 비율로 계산하였으며, 최대하중에서의 신장변형률을 백분율로 하여 0.1%까지 기록하여 산출하였다.
- 4ml vial에 측정할 PLA 플라스틱 시료(min 10mg) 를 넣은 후 염화메틸(CH3Cl)용매를 첨가하여 시료를 녹인다. 완전히 녹인 다음 실린지 필터를 통해 불순물을 제거한 후 분자량을 측정하였다.
- 식생매트의 생분해성에 따라 식생매트의 단면적과 중량이 줄어들면서 물리적 성질도 변화가 예상된다. 이러한 물리적 성질의 변화를 살펴보기 위하여 두께, 인장강도, 연신율 및 분자량 등을 살펴보았다.
- 이외에 생분해도 파악이 용이한 형상을 확인을 위하여 매쉬의 원재료인 PLA를 매쉬 및 판형으로 제작하여 인장 실험을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용한 생분해성 재료는 환경호르몬 및 중금속 등 유해물질로부터 안전하고 생분해 성능이 PLA(poly lactic acid)를 이용하였으며 그 특성은 Table 3과 같다.
이론/모형
- PLA 플라스틱의 인장강도는 KS M 3006 (플라스틱의 인장성 측정 방법)에 따라 측정하였다.
- 분자량 측정은 Schambeck SFD GmbH의 장비(GPC/SEC System)를 사용하였다. 4ml vial에 측정할 PLA 플라스틱 시료(min 10mg) 를 넣은 후 염화메틸(CH3Cl)용매를 첨가하여 시료를 녹인다.
- 식생매트의 두께 측정방법은 KS K ISO 9863-1(지오신세틱스－규정 압력에서의 두께 측정)에 따라 실시하였다. 시험편이 놓여 있는 기준판과 한정된 크기의 시험편 면적에 규정된 압력을 가하는 평행한 원형 프레서 푸트 접촉면 사이의 거리를 측정하였다.
- 식생매트의 인장강도는 KS K ISO 10319(지오신세틱스－광폭인장강도 시험)을 준용하여 실험을 실시하였다. 시험편은 톱니모양의 쐐기형 조에 시험편을 물린 후 분당 (20±5)%의 변형 속도를 유지하여 인장하중을 가하였다.
성능/효과
- 1. 생분해 장에서 생분해한 PLA 매쉬의 두께는 5개월간 생분해가 진행되면서 점차 증가하였다.
- 2. 생분해 장에서 생분해한 PLA 매쉬의 인장강도는 생분해 기간에 반비례하며 5개월 시점에서 0.46kN/m 및 0.37kN/m로 감소 하였다.
- 3. 단일소재 시료인 PLA 매쉬 인장강도, PLA 플라스틱 인장강도및 PLA 플라스틱 분자량은 시간에 반비례하는 결과를 나타내 었다. 그러나, 항온항습기에서 생분해한 복합소재(PLA 매쉬, 부직포 및 황마네트) 식생매트는 5개월간의 생분해기간동안 인장강도의 변화가 뚜렷하지 않았다.
- 4. PLA 플라스틱 시료의 인장강도는 3개월까지 매월 약 10% 비율로 감소하였다.
- 반면 생분해장에서 준비한 PLA 매쉬 시료의 인장강도는 생분해 기간에 Fig. 8과 같이 반비례하였으며, 5개월 시점에서 32.4%~55.4% 수준인 0.46kN/m 및 0.37kN/m로 감소 하였다. 시료가 매쉬 형상이기 때문에 흙과의 접촉면 증가 하여 복합소재 식생매트 보다 생분해 진행이 증가하면서 점진적으로 인장강도가 감소한 것으로 사료된다.
- 본 연구에서 PLA 소재 매쉬의 두께증가는 PLA가 생분해 과정에서 수분을 흡수하면서 두께가 증가한 것으로 판단된다.
- 분자량 측정은 결과 생분해기간에 따라 분자량이 지속적으로 감소하고 있다. 분자량 감소비율(약 2%/month)이 PLA 플라스틱의 인장강도 저감비율(약 10%/month)에 비하여 현저히 적음을 알수 있다.
- 아령형태의 PLA 플라스틱 시료에 대한 인장강도 시험결과 1개월 경과시료는 12.95MPa, 2개월 경과시료는 11.88MPa, 3개월 경과시료는 8.3MPa로 지속적으로 질량이 감소하였다.
후속연구
- 상기 실험결과 PLA를 건설자재로 활용할 경우 생분해 기간에 따라 인장강도 감소, 분자량 감소 등 요구 성능실현 후 시간경과에 따라 발생하는 환경오염 저감이 가능할 것으로 판단된다. 현 경기도 연천지역에 현장 시공을 통한 적용 가능성을 검토하고 있으며 분석결과를 바탕으로 PLA를 이용한 식생매트 실용화 가능성을 검토할 계획이다.
- PLA로 제작된 매쉬형 식생매트는 생분해 과정에서 수분 흡수및 팽창하지만 5개월까지는 인장강도를 유지하였다. 아울러, 생분해 기간에 따른 물성변화을 파악하기 위하여는 복합소재보다는 단일소재가 바람직할 것으로 사료된다.
- 상기 실험결과 PLA를 건설자재로 활용할 경우 생분해 기간에 따라 인장강도 감소, 분자량 감소 등 요구 성능실현 후 시간경과에 따라 발생하는 환경오염 저감이 가능할 것으로 판단된다. 현 경기도 연천지역에 현장 시공을 통한 적용 가능성을 검토하고 있으며 분석결과를 바탕으로 PLA를 이용한 식생매트 실용화 가능성을 검토할 계획이다.
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